觀速訊丨什么是仿生材料？它在醫(yī)學(xué)里有哪些應(yīng)用？

仿生材料，顧名思義，是一種受生物結(jié)構(gòu)、功能和過程啟發(fā)的人造材料。它們被設(shè)計(jì)用于模擬生物材料的特性和性能，以達(dá)到某種特定的應(yīng)用目的。目前，仿生材料已經(jīng)在生物學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮了巨大的潛力。

比如，仿生材料能夠模仿生物體的結(jié)構(gòu)和功能，被應(yīng)用于心臟支架、關(guān)節(jié)置換和組織工程等；仿生材料還可以被設(shè)計(jì)成新型的藥物載體，可以用于靶向遞送、緩釋藥物等；此外，基于仿生設(shè)計(jì)的生物傳感器，能夠檢測(cè)和測(cè)量生物分子、生理信號(hào)等。

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“道法自然”是出自《道德經(jīng)》的哲學(xué)思想，在指導(dǎo)我們溯本求源、順應(yīng)自然規(guī)律的同時(shí)，或許能對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)生物材料有所啟發(fā)。

在構(gòu)建高性能的生物材料時(shí)，通過學(xué)習(xí)和模仿自然界中已存在的生物，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新能力，可以在多個(gè)領(lǐng)域中為人類帶來更多的創(chuàng)新和突破。

近年來，仿生材料研究發(fā)展迅速，已經(jīng)成為了生物、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。那么，仿生材料都有哪些奇妙的生物學(xué)應(yīng)用呢？我們一起往下看看吧！

1. 電子皮膚（e-skins）在健康監(jiān)測(cè)和疾病診斷方面獲得了巨大的關(guān)注。然而，在皮膚/電子皮膚界面上積累的汗水會(huì)影響到長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的舒適性、可靠性和準(zhǔn)確性。在此，受自然界中主動(dòng)液體運(yùn)輸現(xiàn)象的啟發(fā)，研究者當(dāng)前發(fā)明了一種仿生的金/熱塑性聚氨酯/纖維素薄膜基底電子皮膚，可以在梯度孔隙和表面能量梯度的作用下快速?gòu)慕缑妗氨谩背龊顾?/p>

這種超快的排汗能力不僅提高了穿著的舒適性，而且可以將皮膚的測(cè)量誤差降至最低，還可以消除傳感器陣列中的短路風(fēng)險(xiǎn)，降低信號(hào)中的噪音水平，顯著提高了多模態(tài)傳感的準(zhǔn)確性和可靠性。這種仿生設(shè)計(jì)策略通過提高電子皮膚的耐汗性，能夠促進(jìn)更多的材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

2. 目前，骨質(zhì)疏松癥中的骨再生是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過程，涉及到了復(fù)雜的相互作用。盡管各種聚合物支架已被提出用于骨修復(fù)，但對(duì)骨質(zhì)疏松性骨再生的研究實(shí)際上仍然有限。特別是，在使用骨質(zhì)疏松癥藥物時(shí)（如雙膦酸鹽），實(shí)現(xiàn)令人滿意的骨再生仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在此，研究者提出了一種一氧化氮釋放型生物活性劑仿生支架，可用于骨質(zhì)疏松癥中骨的精確再生。首先，結(jié)合有機(jī)/無機(jī)ECM和氫氧化鎂作為基礎(chǔ)材料，然后制備了仿骨的聚（乳酸-乙醇酸）支架。含有氧化鋅、阿侖膦酸鈉和BMP2等生物活性劑的納米顆粒被整合到仿生支架中，以賦予其多功能性，如抗炎、血管生成、抗破骨細(xì)胞生成和骨再生等。

3. 電子視覺假體，或稱仿生眼，已經(jīng)顯示出了通過電脈沖人工啟動(dòng)神經(jīng)反應(yīng)來恢復(fù)盲人功能視力的可行性。然而，現(xiàn)有的視覺義肢主要使用有線連接或電磁波進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)遙測(cè)。這不僅引起了安全問題，也導(dǎo)致了微型植入單元的耦合效率不高。

在此，研究者提出了一種柔性超聲誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜刺激壓電陣列，可以提供一種替代的無線人工視網(wǎng)膜假體來喚起盲人的視覺感知。該裝置在柔性電路板上集成了一個(gè)二維的壓電陣列，帶有32個(gè)像素的刺激電極。每個(gè)壓電元件都可以被超聲波單獨(dú)激活，因此，空間上可重新配置的電極圖案可以通過可編程的超聲波束線進(jìn)行動(dòng)態(tài)地應(yīng)用。作為一個(gè)概念證明，作者在體外小鼠視網(wǎng)膜組織中展示了超聲誘導(dǎo)的圖案重建，顯示了這種方法在恢復(fù)失明患者的功能和提高生活質(zhì)量方面的巨大潛力。

4. 治療糖尿病的綜合系統(tǒng)為調(diào)節(jié)糖尿病提供了先進(jìn)的技術(shù)，但在準(zhǔn)確性、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和最小侵入性等方面仍存在關(guān)鍵挑戰(zhàn)。受動(dòng)物咀嚼系統(tǒng)的特征和功能的啟發(fā)，研究者提出了一種仿生微針治療平臺(tái)（MNTP），用于糖尿病的智能和精準(zhǔn)管理。

該平臺(tái)由一個(gè)微型電路支持，用于微針陣列按需穿透皮膚，使間質(zhì)液體滲出的同時(shí)檢測(cè)葡萄糖和生理離子，并進(jìn)行皮下胰島素輸送。間質(zhì)滲出液能夠在富氧環(huán)境中通過集成了復(fù)合碳納米材料的表皮傳感器進(jìn)行感應(yīng)。這一特點(diǎn)解決了植入式電極帶來的生物安全問題和體內(nèi)的 "缺氧 "問題。MNTP被證明可以準(zhǔn)確地檢測(cè)葡萄糖和離子，并可遞送胰島素以調(diào)節(jié)高血糖癥。

5.骨折和缺陷對(duì)患者構(gòu)成了嚴(yán)重的健康相關(guān)問題。在臨床治療方面，用于促進(jìn)關(guān)鍵尺寸骨再生的合成支架一直被積極的探索，而電刺激被認(rèn)為是促進(jìn)這一過程的有效輔助手段。

在此，研究者開發(fā)了一種集成了薄膜硅（Si）基底微結(jié)構(gòu)的三維仿生支架。這種硅基底復(fù)合支架不僅為引導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)提供了一個(gè)三維分層結(jié)構(gòu)，而且還通過光誘導(dǎo)的電信號(hào)調(diào)節(jié)細(xì)胞行為。

通過紅外光照的遠(yuǎn)程控制，這些硅結(jié)構(gòu)可以電控地調(diào)節(jié)干細(xì)胞的膜電位和細(xì)胞內(nèi)的鈣動(dòng)態(tài)，并增強(qiáng)細(xì)胞的增殖和分化能力。在一個(gè)嚙齒動(dòng)物模型中，硅集成支架在光學(xué)刺激下顯示出更好的成骨作用。這樣一個(gè)無線供電光電支架彌補(bǔ)了帶有導(dǎo)線的電子植入物的缺陷，并可以在生物環(huán)境中完全降解。

6.腫瘤中雜亂無章的血管是腫瘤內(nèi)納米藥物輸送進(jìn)而發(fā)揮抗癌作用的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

在此，研究者合理地設(shè)計(jì)了一種谷胱甘肽（GSH）激活的一氧化氮(NO)供體負(fù)載的仿生脂蛋白系統(tǒng)（NO-BLP），使腫瘤血管正常化，然后改善白蛋白結(jié)合的紫杉醇納米顆粒（PAN）在腫瘤中的遞送效率。

與對(duì)應(yīng)的脂質(zhì)體配方（NO-Lipo）相比，NO-BLP在4T1乳腺癌腫瘤中表現(xiàn)出更高的腫瘤富集和更深的滲透性，產(chǎn)生了使血管正?；娘@著功效。NO-BLP和PAN的順序用藥策略使4T1腫瘤的生長(zhǎng)受到了81.03%的抑制，優(yōu)于NO-BLP單藥和PAN單藥以及對(duì)應(yīng)的NO-Lipo加PAN治療。因此，仿生的NO-BLP脂蛋白提供了一個(gè)令人鼓舞的平臺(tái)，可以使腫瘤血管正?；⒋龠M(jìn)腫瘤內(nèi)納米醫(yī)學(xué)藥物的有效輸送。

仿生研究的核心是“自然智慧”，即從自然界中汲取靈感并將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)。在實(shí)踐中，仿生的研究方法包括模仿、改進(jìn)和創(chuàng)新等。仿生材料一般是通過模仿生物的結(jié)構(gòu)或功能，以實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用效果。綜合以上論文不難看出，仿生材料的生物學(xué)應(yīng)用包括仿生可植入材料、仿生可穿透器件、仿生納米藥物載體、仿生功能型結(jié)構(gòu)/表面等等。

根據(jù)EFL整理匯總。

來源: 中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)

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